Bluetooth 5.1 SoC：IoTデバイス向け超小型・低コストソリューション

Bluetooth Low Energy（BLE）はIoTエコシステムのバックボーンとなり、電池駆動ガジェットを数ヶ月から数年間動作させる短距離・低消費電力ワイヤレスリンクを実現しています。フィットネストラッカー、スマートウォッチ、その他ウェアラブルの爆発的普及が、業界全体でのBLE採用を加速させています。

一般的なBluetoothデバイス（図1）は、ホストとコントローラで構成されます。ホストはBluetoothスタックとホスト側アプリケーションロジックを実行し、コントローラはクラシックBluetooth（BR/EDR）またはBLEのベースバンド操作を処理。両者はホストコントローラインターフェース（HCI）で通信します。

図1：Bluetoothシングルモードおよびデュアルモードアーキテクチャのブロック図。

BLEはBluetooth 4.0で初登場し、以降の4.1と4.2で段階的な改良が加えられました。真の飛躍はBluetooth 5で訪れ、2Mbpsデータレート、カバレッジ4倍の240m、大幅な省電力改善を導入。

2018年末に発表されたBluetooth 5.1は、これらの利点をベースに位置測位機能を追加。到達角度（AoA）と出発角度（AoD）の2つの測位技術をサポートし、デバイス間の位置をメートルレベル精度で特定可能にしました。

今日、ほとんどのウェアラブルはBLEを採用しています。それは、小さな電池で数ヶ月から数年間動作可能な、コスト効率に優れた超低消費電力ソリューションだからです。Dialog Semiconductorは、世界最小かつ最もエネルギー効率の高いBluetooth 5.1 SoCと称するDA14531を発表。同梱モジュールにより開発を効率化し、IoT展開の機会を拡大します。

SmartBond TINY SoCは、32ビットARM Cortex-M0+コアを中心に、統合メモリと包括的なアナログ/デジタル周辺機器を搭載。これらの機能をタイトに統合することで、DialogはBLEソリューションのフットプリントを縮小しながら高性能を維持。大量生産時には、SoCのBLE機能をわずか0.50ドルで追加可能です。

2.0×1.7mmのパッケージにより、DA14531は電子スタイラス、棚ラベル、ビーコン、資産追跡用アクティブRFIDタグなど、スペース制約のあるデバイスに最適。カメラ、プリンター、ワイヤレスルーターなど、プロビジョニングが必要なアプリケーションにも適しています。

DA14531は接続医療分野へもワイヤレス接続を拡張。吸入器、薬剤ディスペンサー、体重計、体温計、血糖値測定器（図2）などのユースケースが想定されます。

図2：DA14531のブロック図。

2.0×1.7mmパッケージに収まるSmartBond TINYは、Dialogによると先代の約半分のサイズ。SoCは完全な低エネルギーBluetoothシステムを形成するために、単一クロックソースと電源のわずか6つの外部コンポーネントのみを必要とします（図3）。この最小フットプリントにより、設計者はチップを事実上あらゆるRFモニタリング設計に統合可能です。

「外部コンポーネントは本当に限定的で、2つのコンデンサが必要。特定条件下ではパワーインダクタを省略可能」と、Dialog SemiconductorのBluetooth Low Energy製品マーケティングマネージャーAmericas、Adrie Van Meijeren氏。

図3：アルカリ電池駆動システム図 - ブースト構成。

モジュール設計により、小型電池でも長寿命と信頼性を保証。プラットフォーム認証の負担から顧客を解放し、時間、労力、コストを節約。DA14531の統合DC/DCコンバータは1.1V〜3.3Vの広い入力範囲をサポート。

「電池とDC/DCコンバータについては、1.4V/1.5V電池に加え、3Vコインセル電池にも対応可能。ブーストコンバータがオンボードにあるためコスト削減。DC/DC効率はインダクタ品質に多少依存するが、約85%の効率を達成できる」とVan Meijeren氏。

「DC/DC機能は特に使い捨て電池で重要。これらの電池は微小容量（約15mAh）であることが多い。ブーストコンバータの起動電流がインダクタとコンデンサを制限するが、6mA〜96mAの間で設定可能な電流制限機能を提供し、電池の状態に関わらず起動可能」と同氏は付け加えました。

BLEの超低消費電力により、多くのアプリケーションが単一の小型電池で4〜5年間動作可能。これは、小さなデータバーストを断続的に交換するだけのデバイスにとって不可欠です。

Dialogはまた、DA14531 SmartBond TINY開発キットを提供。SoCを搭載し、2つのmikroBUSヘッダーとArduinoインターフェースで機能拡張に対応（図4）。

図4：DA14531 SmartBond TINY開発キットPro。

Bluetoothはスマートフォンからラップトップまで、世界中で約82億デバイスに搭載済み。Ciscoは2020年までに500億以上のスマートデバイスが使用され、Bluetooth SIGがその最大3分の1をサポートすると予測。

数十億のBLE対応デバイスが市場にある今、アプリケーションの範囲は事実上無限大。プロジェクトでBLEを選択するには、フォームファクタ、電気的特性、望ましい機能、ソフトウェア開発ツール、技術サポートを慎重に検討する必要があります。